王偉 董國(guó)棟 張亞寧 冀宏斌

(航天恒星科技有限公司，北京 100095)

引言

北斗重大專項(xiàng)典型示范工程是促進(jìn)衛(wèi)星導(dǎo)航重大專項(xiàng)應(yīng)用推廣與產(chǎn)業(yè)化的重要舉措。示范類專題的目標(biāo)是在具有廣泛影響力的重點(diǎn)領(lǐng)域，實(shí)施一系列具有重大影響力、示范帶動(dòng)性強(qiáng)、推廣前景明確的典型示范應(yīng)用項(xiàng)目。為了促進(jìn)和落實(shí)好北斗系統(tǒng)在林業(yè)領(lǐng)域的示范應(yīng)用和推廣，“林業(yè)生態(tài)建設(shè)與保護(hù)北斗示范應(yīng)用系統(tǒng)工程”被列入中國(guó)第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)示范類專題[1]?；诹謽I(yè)北斗示范應(yīng)用工程的實(shí)施，研究北斗系統(tǒng)在林業(yè)生態(tài)建設(shè)與保護(hù)中的作用。通過不同行業(yè)大范圍、規(guī)模化的應(yīng)用，完成對(duì)在建系統(tǒng)的技術(shù)試驗(yàn)驗(yàn)證；以行業(yè)示范帶動(dòng)行業(yè)應(yīng)用，以區(qū)域示范帶動(dòng)區(qū)域應(yīng)用，帶動(dòng)消費(fèi)類市場(chǎng)的拓展，建立系統(tǒng)性能、產(chǎn)品質(zhì)量、用戶市場(chǎng)三者之間的良性互動(dòng)[2]。

1 論文研究?jī)?nèi)容

在林業(yè)生態(tài)建設(shè)與保護(hù)過程中，北斗系列產(chǎn)品除了在林火方面有小規(guī)模應(yīng)用外，在林業(yè)其他領(lǐng)域還未被廣泛應(yīng)用[3]。本文基于作者團(tuán)隊(duì)開展的北斗林業(yè)示范應(yīng)用專項(xiàng)建設(shè)實(shí)施工作，將北斗導(dǎo)航定位、授時(shí)、短報(bào)文通信等特色服務(wù)及物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等技術(shù)融合搭建北斗林業(yè)綜合服務(wù)平臺(tái)，將北斗導(dǎo)航定位通信終端與林業(yè)現(xiàn)有傳感器結(jié)合，充分發(fā)揮北斗終端在林業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景下的數(shù)據(jù)采集、信息獲取和信息互動(dòng)能力。開展北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)在林業(yè)行業(yè)的規(guī)?；茝V應(yīng)用，有助于解決林業(yè)野外信息通信難、業(yè)務(wù)融合度低、數(shù)據(jù)資源難以共享等系列問題，可有效補(bǔ)齊林業(yè)3S技術(shù)(衛(wèi)星導(dǎo)航、遙感、地理信息系統(tǒng))綜合應(yīng)用的短板[4]。

2 北斗林業(yè)綜合服務(wù)平臺(tái)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目的建設(shè)充分借鑒“北斗+”和“互聯(lián)網(wǎng)+”思維，將北斗示范應(yīng)用工程建設(shè)和林業(yè)行業(yè)現(xiàn)有的信息化建設(shè)的設(shè)施、數(shù)據(jù)、平臺(tái)、應(yīng)用系統(tǒng)相結(jié)合[5]。遵循“自主可控、統(tǒng)籌資源、安全共享、示范帶動(dòng)”的建設(shè)思路，集成衛(wèi)星導(dǎo)航、云計(jì)算、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)技術(shù)，采用典型示范引路、以點(diǎn)帶面、整體推進(jìn)的建設(shè)策略，實(shí)現(xiàn)北斗在林業(yè)的規(guī)?；瘧?yīng)用，提高林業(yè)資源監(jiān)管能力和信息化水平。

2.1 總體架構(gòu)

林業(yè)生態(tài)建設(shè)與保護(hù)北斗示范應(yīng)用系統(tǒng)的總體架構(gòu)與全國(guó)林業(yè)信息化建設(shè)綱要相一致，采用“四橫三縱”式的云服務(wù)體系結(jié)構(gòu)[6]。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

感知層，是北斗林業(yè)終端的信息采集和匯集層，包括北斗林業(yè)示范規(guī)劃的6類終端和部分林業(yè)數(shù)據(jù)采集傳感器(土肥、林草環(huán)境)，不同類型的北斗終端通過互聯(lián)網(wǎng)、專用VPN網(wǎng)絡(luò)、4/5G網(wǎng)絡(luò)或者北斗短報(bào)文通訊的方式與平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，同時(shí)提供國(guó)家林草局、氣象、交通、國(guó)家遙感中心等第三方平臺(tái)數(shù)據(jù)交換接口；基礎(chǔ)設(shè)施層(IaaS)，包括平臺(tái)內(nèi)外網(wǎng)功能分區(qū)、網(wǎng)絡(luò)資源池、計(jì)算資源池、存儲(chǔ)資源池、裸機(jī)管理、資源監(jiān)管和主動(dòng)防御系統(tǒng)等；平臺(tái)層(PaaS層)，包括數(shù)據(jù)資源池、基礎(chǔ)服務(wù)和應(yīng)用服務(wù)，數(shù)據(jù)資源池包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和專題應(yīng)用數(shù)據(jù)，基礎(chǔ)服務(wù)包括數(shù)據(jù)連接、匯聚、融合、共享、分析、挖掘、交換等服務(wù)，應(yīng)用服務(wù)包括北斗業(yè)務(wù)、林業(yè)一張圖、終端管理與展示等應(yīng)用服務(wù)內(nèi)容；應(yīng)用開發(fā)層(SaaS層)，提供林業(yè)業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)和業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)所需的支撐服務(wù)接口，包括基礎(chǔ)服務(wù)接口、應(yīng)用服務(wù)接口、數(shù)據(jù)管理接口、資源管理接口和對(duì)外平臺(tái)接口；北斗林業(yè)安全保障體系、運(yùn)維體系貫穿林業(yè)生態(tài)建設(shè)與保護(hù)北斗示范應(yīng)用系統(tǒng)的所有層次，為本項(xiàng)目提供設(shè)施、數(shù)據(jù)、應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)、用戶各個(gè)層級(jí)、數(shù)據(jù)的安全保障；北斗林業(yè)運(yùn)維體系貫穿林業(yè)生態(tài)建設(shè)與保護(hù)北斗示范應(yīng)用系統(tǒng)的所有層次，提供各個(gè)層面的運(yùn)維依據(jù)和方案；北斗林業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范確保本項(xiàng)目的實(shí)施及后續(xù)推廣有章可循，包括北斗林業(yè)綜合應(yīng)用框架體系、北斗林業(yè)應(yīng)用設(shè)備技術(shù)規(guī)范類、北斗林業(yè)應(yīng)用數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議類、北斗林業(yè)應(yīng)用軟件接口標(biāo)準(zhǔn)類。

2.2 平臺(tái)通訊鏈路

平臺(tái)通訊鏈路主要集中在北斗林業(yè)終端、北斗衛(wèi)星地面運(yùn)行中心、第三方北斗數(shù)據(jù)服務(wù)中心、北斗林業(yè)綜合應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)及示范應(yīng)用用戶之間，系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信鏈路如圖2所示。

圖2 北斗林業(yè)終端應(yīng)用模式示意圖

2.2.1 數(shù)據(jù)采集階段通訊鏈路

主要是通過林業(yè)北斗終端完成對(duì)外界數(shù)據(jù)源的記錄和采集操作，數(shù)據(jù)采集也可以提供傳感器獲取林業(yè)相應(yīng)的環(huán)境數(shù)據(jù)因子與定位信息進(jìn)行結(jié)合。

2.2.2 數(shù)據(jù)傳輸階段

將終端采集到的數(shù)據(jù)通過北斗RDSS、4/5G等鏈路傳輸?shù)奖倍妨謽I(yè)綜合應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)。4/5G傳輸鏈路直接通過移動(dòng)基站或互聯(lián)網(wǎng)鏈路接入至平臺(tái)；北斗RDSS短報(bào)文通信通過具備北斗運(yùn)營(yíng)服務(wù)資質(zhì)的第三方企業(yè)完成數(shù)據(jù)接收并與新建北斗林業(yè)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向收發(fā)。

2.2.3 數(shù)據(jù)集成、分析和解釋階段

主要是通過平臺(tái)完成對(duì)已接受數(shù)據(jù)的抽取、篩選和過濾等操作。當(dāng)用戶提出查詢時(shí)，北斗林業(yè)綜合應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)進(jìn)行及時(shí)地分析與建模，并將結(jié)果以用戶可接收的方式返回給用戶。

2.3 平臺(tái)數(shù)據(jù)流

北斗林業(yè)綜合應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)將面向林業(yè)業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)、林業(yè)業(yè)務(wù)APP、北斗林業(yè)終端提供支撐服務(wù)。并與林業(yè)“一張圖”、氣象等第三方數(shù)據(jù)中心有數(shù)據(jù)交互需求。在進(jìn)行北斗林業(yè)核心平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮后續(xù)平臺(tái)業(yè)務(wù)擴(kuò)展需求進(jìn)行系統(tǒng)邊界設(shè)計(jì)。

圖3 平臺(tái)數(shù)據(jù)流圖

2.4 平臺(tái)部署

云平臺(tái)分為互聯(lián)網(wǎng)區(qū)和內(nèi)網(wǎng)區(qū)。其中，內(nèi)網(wǎng)區(qū)域的管理節(jié)點(diǎn)集群部署保證內(nèi)網(wǎng)區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施層云功能的正常運(yùn)行；互聯(lián)網(wǎng)區(qū)管理節(jié)點(diǎn)集群不僅部署了上述內(nèi)網(wǎng)區(qū)域管理節(jié)點(diǎn)部署的功能組件，保證互聯(lián)網(wǎng)區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施層云功能正常運(yùn)行，而且部署了Keystone、Horizon等組件，提供全局的鑒權(quán)和Portal展示功能，對(duì)2個(gè)區(qū)域的服務(wù)進(jìn)行鑒權(quán)以及提供服務(wù)訪問界面，即實(shí)現(xiàn)在同一個(gè)平臺(tái)對(duì)2個(gè)區(qū)域進(jìn)行管理并提供服務(wù)。

2個(gè)區(qū)域通過網(wǎng)閘進(jìn)行安全隔離。通過對(duì)網(wǎng)閘配置安全策略，只允許兩區(qū)域之間的管理數(shù)據(jù)交互，既保證了2個(gè)區(qū)域的數(shù)據(jù)隔離，又保證了2個(gè)區(qū)域的管理節(jié)點(diǎn)能夠互通，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理。互聯(lián)網(wǎng)區(qū)域通過部署主動(dòng)安全防御設(shè)備保護(hù)云平臺(tái)業(yè)務(wù)安全。分別在互聯(lián)網(wǎng)區(qū)域與內(nèi)網(wǎng)區(qū)域部署一臺(tái)防火墻設(shè)備，實(shí)現(xiàn)邊界安全。

表1 外部接口

表2 系統(tǒng)內(nèi)部接口表

平臺(tái)搭建時(shí)充分考慮與現(xiàn)有資源的融合，部分業(yè)務(wù)遷移至新建云平臺(tái)，便于統(tǒng)一管理。其余業(yè)務(wù)系統(tǒng)直接運(yùn)行在物理上，服務(wù)器資源剩余，不能最大化利用，根據(jù)業(yè)務(wù)不同，進(jìn)行物理機(jī)到云平臺(tái)的業(yè)務(wù)遷移，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的統(tǒng)一管理。

3 北斗林業(yè)終端應(yīng)用

針對(duì)林業(yè)業(yè)務(wù)特點(diǎn)和應(yīng)用需求，依據(jù)“北斗+”的指導(dǎo)思想，結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)水平和北斗產(chǎn)品基礎(chǔ)，規(guī)劃并應(yīng)用的6類北斗林業(yè)終端。

3.1 林業(yè)手持巡護(hù)型

為巡護(hù)專用終端，集成BDS/GPS雙模定位，同時(shí)支持4/5G多種語(yǔ)音/數(shù)據(jù)通信、對(duì)講和一鍵報(bào)警功能，適用于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域，面向基層巡護(hù)人員，完成各類巡護(hù)任務(wù)。

3.2 林業(yè)手持智能型

集成北斗RNSS和GPS定位模塊，支持4/5G多種移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)制式，提供語(yǔ)音通訊和數(shù)據(jù)通信功能，支持林業(yè)數(shù)據(jù)及圖像、GIS地圖采集功能，可裝載各類業(yè)務(wù)APP軟件，支持北斗RD短報(bào)文通信，適用于移動(dòng)通信覆蓋區(qū)域或盲區(qū)，側(cè)重應(yīng)用于森林火災(zāi)撲救聯(lián)合調(diào)度與狀態(tài)數(shù)據(jù)采集場(chǎng)景。

3.3 林業(yè)應(yīng)急指揮型

可機(jī)動(dòng)靈活部署在各類應(yīng)用場(chǎng)景，支持北斗RDSS短報(bào)文通信功能，支持有線網(wǎng)絡(luò)接入功能，可組網(wǎng)管理具備RD短報(bào)文功能，適用于移動(dòng)通信盲區(qū)，面向林業(yè)業(yè)務(wù)應(yīng)用突發(fā)事件的應(yīng)急指揮調(diào)度場(chǎng)景。

3.4 林業(yè)車載型

集成BDS/GPS雙模定位和北斗短報(bào)文通信和自動(dòng)位置報(bào)告功能，同時(shí)支持4/5G數(shù)據(jù)通信功能，適用于移動(dòng)通信覆蓋區(qū)域或盲區(qū)，面向各林業(yè)業(yè)務(wù)應(yīng)用中對(duì)車輛的監(jiān)控管理及應(yīng)急指揮調(diào)度管理。

3.5 林業(yè)勘界測(cè)量型

外接型設(shè)備，支持亞米級(jí)的高精度定位，支持導(dǎo)航定位功能，可支持基于地圖的勘測(cè)繪圖功能，滿足林業(yè)勘界測(cè)量等業(yè)務(wù)對(duì)高精度定位導(dǎo)航的需求，適用于林地更新調(diào)查等各類野外調(diào)查及勘界測(cè)量高精度應(yīng)用。

3.6 北斗RD通信型

具有北斗RDSS定位通信及藍(lán)牙/Wifi傳輸、一鍵遇險(xiǎn)求救按鍵，能夠滿足通信盲區(qū)林業(yè)通信應(yīng)用需求，適用于移動(dòng)通信覆蓋區(qū)域或盲區(qū)，面向需北斗定位及通信支持的林業(yè)各類野外業(yè)務(wù)應(yīng)用。

4 結(jié)論與規(guī)劃

當(dāng)前北斗林業(yè)綜合服務(wù)云平臺(tái)已上線運(yùn)行具備支撐林業(yè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)運(yùn)行能力。森林火災(zāi)撲救聯(lián)合調(diào)度、北斗林政執(zhí)法管理、北斗林地年度變化更新應(yīng)用、保護(hù)區(qū)巡護(hù)管理、森林火災(zāi)動(dòng)態(tài)監(jiān)控5個(gè)典型北斗林業(yè)示范應(yīng)用系統(tǒng)基于北斗林業(yè)綜合服務(wù)云平臺(tái)已完成研制，并初步制定了北斗林業(yè)綜合服務(wù)平臺(tái)與北斗終端的數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，林業(yè)終端采集的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)已實(shí)現(xiàn)正常接入與應(yīng)用。北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)林業(yè)信息采集、簡(jiǎn)單處理和數(shù)據(jù)傳輸，為北斗林業(yè)業(yè)務(wù)提供基礎(chǔ)信息及信息傳輸通道，實(shí)現(xiàn)人與林、林與林之間的相互感知；北斗林業(yè)綜合應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)林業(yè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的匯聚、整合，提升林業(yè)信息資源的互聯(lián)共享能力。北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)在林業(yè)行業(yè)中的應(yīng)用能充分挖掘北斗導(dǎo)航定位通信應(yīng)用潛力和能力，結(jié)合北斗林業(yè)綜合應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)可共同為林業(yè)業(yè)務(wù)應(yīng)用賦能[7]。未來(lái)將與各示范省完善平臺(tái)數(shù)據(jù)交互方案，陸續(xù)在多個(gè)示范省規(guī)?；渴鸨倍妨謽I(yè)終端開展應(yīng)用推廣，擴(kuò)大應(yīng)用成效。